L'ionosphère d'une planète est une couche de son atmosphère caractérisée par une ionisation partielle des gaz. Dans le cas de la Terre, elle se situe entre environ d'altitude et recouvre donc une partie de la mésosphère, toute la thermosphère et une partie de l'exosphère.
Généralités Le rayonnement solaire ultraviolet qui est à l’origine de l’ionosphère réagit sur une partie des molécules atmosphériques en les amputant d’un électron. Un plasma, qui contient des nombres égaux d’électrons et d’ions positifs, est ainsi créé. L’électron, qui est léger, reçoit une vitesse considérable, de telle sorte que le gaz électronique obtient une température électronique élevée (de l’ordre de mille kelvins), bien au-dessus de celle des ions et des neutres. Il faut donc distinguer, en dehors de la température neutre, ces deux températures plasmatiques. Comme il y a plusieurs espèces d’ions, la composition ionique est un autre paramètre intéressant. Avec la densité électronique, qui est de première importance pour la propagation des ondes radio, on a donc quatre paramètres caractérisant le plasma ionosphérique.
En 1968, le Committee on Space Research (COSPAR) a chargé Karl Rawer (1968 - 1984) de former un comité responsable d’un nouveau projet International Reference Ionosphere (IRI), comparable à la CIRA (COSPAR international référence atmosphere) et qui serait poursuivi avec l’Union radio-scientifique internationale (URSI). Au cours de ce projet, a été créé un modèle fondé en première ligne sur des expériences effectuées du sol et de l’espace . Ce modèle montre des valeurs médianes mensuelles des quatre paramètres indiqués ci-dessus en fonction de l’altitude, l’heure, la saison et l’activité solaire pour les différentes régions du globe terrestreD.Bilitza: 35 years of International Reference ionosphere - Karl Rawer’s legacy. Adv. Radio Sci. 2 p. 283-287, 2004.. En 1999, l’URSI a reconnu l'IRI comme standard international pour l’ionosphère. Au comité, les représentants de tous les continents poursuivent l’évaluation de données nouvelles en vue de l’amélioration du modèle.
Historique
1901 : Marconi établit une liaison transatlantique par radio. 1902 : Les ondes électromagnétiques ne se propagent qu'en ligne droite, du moins dans un milieu homogène. Pour expliquer comment les signaux radiotélégraphiques émis par Marconi ont pu contourner la rotondité de la Terre, Heaviside en Angleterre et Kennelly en Amérique imaginent l'existence à très haute altitude de couches réfléchissantes pour les ondes radio : les couches de Kennelly-Heaviside. 1925 : Le physicien anglais Appleton met en évidence par l'expérience la présence des couches imaginées par Heaviside et Kennelly. Ces couches prennent le nom de couche d'Appleton. 1925 : Peu après Appleton, les physiciens américains Gregory Breit et Merle Antony Tuve mesurent la hauteur des couches de l'ionosphère à l'aide d'un émetteur d'impulsions radioélectriques. 1929 : Le mot ionosphère, proposé par Robert Watson-Watt, remplace celui de couche d'Appleton. 1931 : Sydney Chapman élabore sa théorie de formation des couches de l'ionosphère par l'action du rayonnement UV solaire. 1999 : LInternational Reference Ionosphere, un modèle de l'ionosphère terrestre, est introduit en 1969 par l´Union radio-scientifique internationale (URSI) en accord avec le Committee on Space Research (COSpAR), puis est rediscuté et corrigé chaque seconde année par une commission spéciale internationale. Ce modèle est un standard international depuis 1999.
Description
thumb La densité de l'air qui constitue l'atmosphère diminue à mesure que l'on s'éloigne de la surface du sol. À d'altitude, la pression de l'air n'est plus que de . L’atmosphère au-delà de agit comme filtre absorbant du rayonnement solaire, des rayons ultraviolets et X dont l’énergie est complètement absorbée dans la thermosphère. Ainsi, la surface terrestre est protégée de ces rayons agressifs dont l’énergie se perd dans des réactions déchirant des molécules (dissociation) ou leur arrachant un électron (ionisation). La dissociation des molécules fait apparaître des atomes O (provenant de dioxygène ) d’une part, et N (de diazote N2) d’autre part. La plupart de ces derniers disparaissent par formation de molécules NO. Une partie non négligeable de tous ces composants neutres est ionisée de façon qu’il y a au milieu des neutres une population de différents ions et une autre d’électrons libres au même nombre total.
Une ionisation très localisée et pendant une très courte durée peut être provoquée par les chutes de météorites.
Dans la partie basse de l'ionosphère, la densité de molécules d'air est encore élevée, les collisions entre électrons et ions sont fréquentes ; un électron peut retrouver rapidement un ion positif : la recombinaison est rapide. Dans les couches les plus hautes, la recombinaison est plus lente et l'ionisation ne diminue que lentement après que le rayonnement solaire s'interrompt avec le coucher du Soleil.
Étude
Le sondeur vertical (ou ionosonde) est une sorte de radar dont la fréquence est variable entre 1 et . L'émetteur envoie des impulsions très brèves qui sont réfléchies à une altitude dépendant de la fréquence et de la densité électronique dans l'ionosphère. La mesure du temps séparant l'impulsion émise et la réception de l'écho permet de calculer l'altitude à laquelle s'est effectuée la réflexion. Le tracé de cette altitude (virtuelle) en fonction de la fréquence est un ionogramme. L’Union radio-scientifique internationale (URSI) a produit une instruction pour le dépouillement de tels enregistrements W.R.Piggott, K.Rawer (dir.): URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction. Elsevier Publ. Comp., Amsterdam, 1961., traduite en chinois, français, japonais et russe et qui est suivie mondialement.
Fichier:Ionogramme.png Depuis les années 1960, les satellites artificiels et sondes spatiales ont permis une meilleure compréhension in situ des phénomènes ionosphériques et de leurs interactions avec la magnétosphère.
De plus, durant ces mêmes années, s'est développée une nouvelle technique d'étude de l'ionosphère depuis le sol : la diffusion incohérente. Dans cette technique, une onde UHF ( à suivant les installations) de très forte puissance (plusieurs centaines de kW) est émise vers l'ionosphère où elle est diffusée dans toutes les directions par les électrons ionosphériques. La puissance reçue au sol en retour est très faible et nécessite de grandes antennes et un traitement du signal pour extraire les informations. Cette technique permet d'avoir accès à la composition de l'ionosphère, la température des ions, ainsi qu'aux vitesses de déplacement de ces ions (« vents ionosphériques »). Des sondeurs furent installés en France à Saint-Santin-de-Maurs avec trois récepteurs dont le radiotélescope de Nançay, en Grande-Bretagne à Malvern, aux États-Unis à Millstone Hill et Arecibo (Porto Rico), au Pérou à Jicamarca, ainsi qu'en Russie. Les trois derniers ainsi qu'Eiscat, le sondeur européen implanté dans le Grand nord scandinave, sont toujours en activité.
Le , dans la journée, un récepteur à bord d’une fusée française Véronique a enregistré des émissions ondes moyennes de deux émetteurs distants (au sol) et a pu déterminer deux limites inférieures nettement marquées de la densité électronique à d’altitudeH. Mende, K. Rawer, E. Vassy, Absorption radioélectrique par l’ionosphère mesurée à bord d’une fusée, comptes rendus, (Paris) 13, p.231-233 1957.
Un instrumentSII (Suprathermal Ion Imager) a été lancé en janvier 2007 par la fusée JOULE II emporté par une fusée de la NASA a déterminé la frontière entre l'atmosphère et l'ionosphère durant des conditions aurorales à d'altitudeL. Sangalli, D. J. Knudsen, M. F. Larsen, T. Zhan, R. F. Pfaff et D. Rowland, , 2009, J. Geophys. Res., 114, A04306, doi:10.1029/2008JA013757 (sur le trajet de cette fusée). Cette information pourrait être importante pour la compréhension du climat. Trois micro-satellites ont été lancés le dans le cadre de la mission SWARM de l'Agence spatiale européenne afin de réaliser d'autres mesures.
Stratification
On distingue généralement trois couches aux propriétés propres vis-à-vis de la propagation des ondes.
thumb|Couches de l'ionosphère. Couche D : altitude de , pression , température , densité électronique . Constituée d'ions polyatomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci. Couche E, ou couche de Kennelly–Heaviside : altitude de , pression , température , densité électronique . Constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisés et d'ions météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l'été, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des « nuages » fortement ionisés dans la (on parle de ou Es) Couche F : altitude de , pression , température , densité électronique . Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Très dépendante de l'activité solaire, elle présente un niveau d'ionisation très important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire ; la se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1 et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive qu'elles persistent toute la nuit lors des maxima d'activité solaire. Comme pour la , le rôle de la est essentiel pour la propagation des ondes courtes.
Rayonnements solaires et mécanisme de création des couches vignette|Image de la NASA de la Ionosphère. L’atmosphère supérieure d’une planète est soumise à une forte influence venant de l’extérieur, à savoir le rayonnement de l’astre central. Conséquence de cela : l'atmosphère n’est pas dans un état d’équilibre. Le rayonnement, de l’ultraviolet jusqu’aux modifie sérieusement les conditions d'équilibre de l'atmosphère en déchirant des molécules (dissociation) ou en leur arrachant un électron (ionisation). Il existe également des processus inverses, comme la recombinaison grâce à la rencontre de particules séparées (collision). La probabilité de ces processus diminue avec l'augmentation de l’altitude. Toutefois, sans rayonnement solaire, la composition de l’atmosphère terrestre est partout identique à celle de la troposphère. En fait, au-dessous d’environ , la coupure nocturne du rayonnement produit une décroissance rapide de l’ionisation, tandis qu’au-dessus, elle a des conséquences moins graves. Notons encore que le pourcentage d'ions par rapport aux neutres reste partout faible.
De jour, par le jeu complexe de dissociation, ionisation et recombinaison, se forment deux larges régions plus ou moins fortement ionisées ; l’inférieure entre environ et (couches D et E), l’autre dans la thermosphère. Dans le profil de l’ionisation, on retrouve finalement de nuit un seul maximum. De jour, on en trouve deux ou trois, à savoir : parfois un dans la (peu marqué), un autre toujours en E, et le plus important en F2. (La couche dite F1 n’est qu’une déformation du profil, très rarement un maximum séparé.) Pour la Propagation des ondes radio la valeur du F2-maximum a la plus grande importanceKarl Rawer: The Ionosphere. Ungar, New York 1956..
Gaz de l'ionosphère